航空发动机叶片运行质量监测及分析研究

航空发动机叶片运行质量监测及分析研究

摘要：叶片作为航空发动机的关键组件，其运行环境恶劣，损耗快、故障率高、造成连带后果严重。本文通过对叶片运行质量进行监测，结合叶片故障特征征兆，分析叶片运行质量，对叶片的健康水平进行评估，对叶片可能发生的运行质量问

题进行早期预警，对故障叶片进行原因分析并提出维护建议。

关键词：航空发动机；叶片；运行质量；监测分析

0 航空发动机叶片运行质量监测及分析的重要性

转子叶片结构不仅广泛的应用于民用航空、船舶运输业的发动机领域，同时

在军事应用领域中，更是作为高性能战斗机、驱逐舰、甚至大型航母的核心动力

装备，逐渐展现出舍我其谁的经济价值、军事价值、政治价值及社会价值。作为

一种运行功率大、占地体积小、安装作业量小、能源利用效率高、排放气体污染

小等优势于一身的高新设备，航空发动机部件精密、构造复杂、生产工况要求高、维修自愈性能低，这些特点决定了航空发动机是一种故障频发的设备，对于航空

发动机各部分运行质量的监测及分析是尤为重要的。作为其核心元件的叶轮及叶片，更是决定着航空发动机能否高效、安全、可靠运行的重中之重[1-3]。

国际上对于叶片运行质量的研究领域投入很大关注，美国军方估算每年有一

笔1000万美元的专项资金用于监测和维修航空发动机叶片的典型故障-高周疲劳

等故障问题。随着航空发动机朝着更高的温度、压力比要求发展，叶片运行质量

问题，特别是在热端部件的叶片质量问题变得更加频繁。叶片运行质量对航发健

康运行的有着至关重要的意义[4]。

1 航空发动机叶片运行质量监测技术

目前，对叶片运行质量的监测主要分为叶尖间隙值及叶片振动参数。其中，

叶尖间隙值的变化可以针对性的反映诸多叶片故障，对于叶片萌生裂纹、叶尖碰

磨等故障的早期阶段具有特征预警，同时可以进行故障位置的定位；叶片振动参

数如：振动幅值、激振频率，转速频率，共振区域，最大振幅，激振倍频等可以

分析叶片在振动状态下的应力应变，对叶片裂纹的萌生起到预警作用。通过燃气

轮机叶片健康性监测，在叶片发生断裂等严重性故障之前进行机组维护，将故障

造成的损失及维护成本降低到可接受的范围之内。

叶片运行质量监测不仅可以保证航空发动机健康可靠运行，还可以通过叶片

运行质量监测及控制技术保持或提高航空发动机的运行效率，同时降低燃料及介

质的成本花费。国际研究机构的R•R公司研究得出，叶尖间隙值每增加约占本身

叶片长度的1％, 航空发动机的运行效率约降低1.5％，燃烧室的耗油率约增加3％。燃烧室的耗油率增加1％，可使航空发动机的全寿命费用增加0.7％，透平

的排烟温度上升10℃。

叶片运行质量监测保障了航空发动机的运行可靠性，结合叶尖间隙值、叶片

间距值及其他叶片振动参数的实时测量及分析计算，应用计算结果及故障征兆对

叶片及机匣的空间位置进行调节，并对出现运行质量问题的叶片进行定位、诊断

并提出维护方案，对良好解决故障早期预警及基于高效运行的叶尖间隙主动控制

有着积极的作用，系统性的提高了机组运行的安全性与经济性。

2航空发动机叶片典型质量问题及原因分析

航空发动机叶片在工作时承受着很大的负荷，由于航空发动机本身的设计工况，介质燃料具有的高温、高压、高腐蚀等特性，同时受到不确定性外部环境变

化的影响。叶片的工作环境极端苛刻，叶片在长期的运行状态下：

1.叶片受到自身离心力作用，包括转子运行速度及启机和停机过程中所受到

的加速度和降速度。离心力是由转子高速旋转所产生的，叶身、叶根、台肩、拉

筋等组成部分的质量分布起到了关键作用，离心力的作用可以使叶片产生拉应力，使其径向位移发生变化，还可以产生偏心拉应力，从而在叶片上产生弯曲应力。

2.叶片受到气流激振力的作用。这种气流激振力具有随机不确定性及周期性

变化的双重规律，并且受到外部环境的影响，对叶片产生的作用位置及作用效果

受到机组运行工况的影响。

3.叶片叶根与叶盘、叶盘与转子部件产生的交变力或交变力矩会引起机械力

对叶片的作用，且方向具有随机性，同时这种机械力是一种可以被利用进行叶尖

间隙主动控制的良性作用力。

4.叶片在高温高压燃气持续作用的工作环境下，会出现冲击及分离现象。叶

身受热不均，从而产生热应力，而一般热应力在启动升速及停机的降速运行状态

下对叶片影响较小，在相对稳定状态下影响较大。

上述运行工况与施加载荷决定了叶片运行质量问题的频繁发生，而其原因是

多方面的，包括振动、疲劳、磨损、脆变、外物损伤、腐蚀、侵蚀、氧化、硫化

和蠕变等。尽管使用高性能、高计算速率的设计工具，并且设计理念及结构优化

方案正趋于完善，然而叶片运行质量问题仍然普遍存在于航空发动机中。造成这

种情况主要有以下原因：

1.在航空发动机长期运行过程中，出现不可避免的机组振动激励（包括空气

动力学和各类机械传动激励）和相互耦合的失效故障模式。

2.在实际运行状态下，一些对叶片的激励力通常是在设计分析中考虑不到的。这些故障的产生主要是由于初始设计阶段的设计分析失误。由于设计出的叶片几

何形状复杂，这使得先进的有限元建模及施加载荷变得很难把握较高的精确性。

叶片、轮盘、缓冲器相互之间的振动以及作用和“组合模式”的出现使得问题进一

步复杂化，从而使得设计分析问题变得突出。

3.在设计分析问题频繁暴露的同时，加工制造问题同样加入了“搅局者”的行列，由于叶片数量大，结构复杂，所以相应的加工精度要求极高，在同一级叶片组中，“相同”的叶片之间的非均匀性以及叶片的质量控制成为问题。

4. 航空发动机运行介质具有高速、高温、杂质含量高等特点，叶片暴露于复

杂苛刻的介质环境中，若保护涂层或进气过滤系统出现故障，很可能造成以下损伤：包括蠕变、氧化、硫化、磨损、热损伤和热疲劳相互作用，产生了复合的失

效故障模式。

5. 航空发动机转子轮盘具有复杂的结构，当其转子本身的固有模态与运行状

态的振动模态相符合时，燃气轮机高周疲劳失效的快速发展，在此阶段轮盘及叶

片易产生疲劳裂纹。

6.组件内部的质量控制问题，其中有一个冷却通道被阻塞。冷却空气运输系

统出现故障问题。从而限制了热端部件冷却空气的流动。一些航空发动机设计了

外部冷却器，以此来冷却压缩机内的气体。这些冷却的故障可能导致流动受抑制

和一些后续问题。重要的是对这些冷却器进行监测以确保冷却气体的正常供应。

叶片和转子部件造成的运行质量问题占航空发动机故障总数的28%，为首要

原因。涡轮喷嘴和固定部分仅占18％。航空发动机整机设计及制造专家登达斯提

供了过去8年中航空发动机运行质量问题损坏所花费维修及保养成本的数据统计。涡轮叶片冷却、高周疲劳、蠕变、相关的喘振占了航空发动机损坏花费总数的62%。表1提供了登达斯调查的重型航空发动机和航改发动机的数据统计。